RU2154810C2 - Gimballess attitude control system - Google Patents
Gimballess attitude control system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2154810C2 RU2154810C2 RU98105559A RU98105559A RU2154810C2 RU 2154810 C2 RU2154810 C2 RU 2154810C2 RU 98105559 A RU98105559 A RU 98105559A RU 98105559 A RU98105559 A RU 98105559A RU 2154810 C2 RU2154810 C2 RU 2154810C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- angular
- integrators
- block
- orientation
- output signals
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
1. Область техники к которой относится изобретение
Изобретение относится к области гироскопических систем ориентации и навигации подвижных объектов различных типов и, в частности, к классу бесплатформенных систем ориентации (БСО), в которых гироскопы устанавливаются непосредственно на корпусе подвижного объекта.1. The technical field to which the invention relates.
The invention relates to the field of gyroscopic orientation and navigation systems for moving objects of various types and, in particular, to the class of strap-on orientation systems (BSO) in which gyroscopes are installed directly on the body of a moving object.
2. Уровень техники
Системы ориентации предназначены для определения угловой ориентации объекта относительно некоторой базовой системы координат (СК), неизменно ориентированной в инерциальном пространстве. Обычно они входят в состав инерциальных навигационных систем (ИНС), но могут использоваться и самостоятельно. Известны БСО, в состав которых входят блок гироскопических датчиков угловой скорости (ДУС) и вычислительное устройство [Гироскопические системы. Учеб. для вузов. Под ред. Д.С.Пельпора, 2-е изд., - М., Высшая школа, 1988, стр. 315-336]. Блок ДУС вырабатывает три взаимно ортогональные составляющие абсолютной угловой скорости по осям связанной с объектом СК. Выходные сигналы блока ДУС обрабатываются в соответствии с алгоритмом ориентации, реализующим интегрирование дифференциальных кинематических уравнений движения объекта, с целью выработки параметров ориентации. Таким образом вычислительное устройство выполняет функцию блока определения угловой ориентации (блока ОУО).2. The level of technology
Orientation systems are designed to determine the angular orientation of an object relative to some basic coordinate system (SC), invariably oriented in inertial space. Usually they are part of inertial navigation systems (ANNs), but can be used independently. Known BSO, which include a block of gyroscopic sensors of angular velocity (TLS) and a computing device [Gyroscopic systems. Textbook for universities. Ed. D.S. Pelpora, 2nd ed., - M., Higher School, 1988, pp. 315-336]. The CRS unit generates three mutually orthogonal components of the absolute angular velocity along the axes associated with the SC object. The output signals of the TLS block are processed in accordance with the orientation algorithm that implements the integration of the differential kinematic equations of motion of the object in order to generate orientation parameters. Thus, the computing device performs the function of the block determining the angular orientation (block OUO).
В последние годы широкое применение получили БСО, построенные на ДУС, выходные сигналы которых представляют собой приращения интеграла от угловой скорости по оси чувствительности ДУС на такте его опроса [Репников А.В., Сачков Г. П. , Черноморский А.И. Гироскопические системы: Учеб. пособие для авиац. Вузов - М., Машиностроение, 1983, стр. 255-266]. (К таким гироскопам относятся, в частности, лазерные гироскопы). Именно такая БСО рассматривается ниже в качестве наиболее близкого аналога (прототипа). In recent years, widespread use of BSO built on the TLS, the output signals of which are increments of the integral from the angular velocity along the axis of sensitivity of the TLS on the cycle of his survey [Repnikov A.V., Sachkov G.P., Chernomorsky A.I. Gyroscopic systems: Textbook. allowance for aviation Universities - M., Mechanical Engineering, 1983, pp. 255-266]. (Such gyroscopes include, in particular, laser gyroscopes). It is such a BSO that is considered below as the closest analogue (prototype).
Общими признаками изобретения и прототипа следует считать установленный на корпусе объекта блок ДУС и блок ОУО, на входы которого поступают выходные сигналы блока ДУС, представляющие собой приращения интегралов от трех взаимно ортогональных проекций угловой скорости на такте его опроса. The common features of the invention and the prototype should be considered to be the TLS unit and the TAC block installed on the object body, to the inputs of which the output signals of the TLS block are received, which are increments of the integrals from three mutually orthogonal projections of the angular velocity at the time of its polling.
Для достижения необходимой точности выработки параметров угловой ориентации в условиях высокочастотных шумов ДУС и интенсивной угловой вибрации основания в известных БСО приходится осуществлять в блоке ОУО дополнительное сглаживание выходных сигналов ДУС, что приводит к значительному увеличению потребной вычислительной производительности блока ОУО (по сравнению со случаем, когда высокочастотные шумы ДУС и вибрация основания отсутствуют). In order to achieve the required accuracy of generating the parameters of the angular orientation in the conditions of high-frequency noise of the TLS and intense angular vibration of the base in the known BSOs, it is necessary to perform additional smoothing of the output signals of the TLS in the TAC block, which leads to a significant increase in the required computational performance of the TAC block (compared to the case when high-frequency noises of DUS and vibration of the basis are absent).
3. Сущность изобретения
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является достижение необходимой точности выработки параметров угловой ориентации объекта в условиях высокочастотных шумов ДУС и вибрации основания без дополнительного сглаживания выходных сигналов ДУС, т.е. без увеличения вычислительной производительности блока ОУО.3. The invention
The main task to be solved by the claimed invention is aimed at achieving the necessary accuracy of generating parameters of the angular orientation of the object under conditions of high-frequency noise of the TLS and vibration of the base without additional smoothing of the output signals of the TLS, i.e. without increasing the computing performance of the block OUO.
Поставленная цель достигается за счет включения в состав БСО (помимо общих с прототипом блока ДУС и блока ОУО) цепочки n (n не меньше 1) последовательно соединенных трехканальных интеграторов (ТИ) и блока синхронного перезапуска интеграторов (СПИ). На входы первого ТИ поступают выходные сигналы блока ДУС, представляющие собой текущие значения первых интегралов от измеряемых составляющих угловой скорости (сигнал по каждой из составляющих поступает на свой вход трехканального интегратора). Выходные сигналы блока ДУС и всех ТИ, представляющие собой приращения кратных интегралов от измеряемых составляющих угловой скорости (кратности от 2 до n+1) на такте опроса ДУС, поступают на вход блока ОУО, где и производится вычисление параметров ориентации. Все ТИ имеют дополнительный вход, на который из блока СПИ поступает сигнал, обеспечивающий синхронный перезапуск с обнулением всех интеграторов с тактом, равным такту опроса блока ДУС. This goal is achieved due to the inclusion in the BSO (in addition to the common with the prototype DCS block and the TAC block) a chain of n (n at least 1) series-connected three-channel integrators (TI) and a synchronous restart unit of integrators (SPI). The inputs of the first TI receive the output signals of the TLS unit, which are the current values of the first integrals from the measured components of the angular velocity (the signal for each of the components goes to its input of a three-channel integrator). The output signals of the TLS block and all TIs, which are increments of multiple integrals from the measured components of the angular velocity (multiples from 2 to n + 1) at the TLS polling cycle, are fed to the input of the TAC block, where the orientation parameters are calculated. All TIs have an additional input to which a signal is received from the SPI block, which ensures synchronous restart with zeroing of all integrators with a clock cycle equal to the clock cycle of the CRS block.
Заявленный технический результат от использования изобретения достигается за счет применения всех перечисленных выше существенных признаков, причем чем большее количество ТИ используется (чем больше n), тем более высокая точность определения угловой ориентации объекта может быть достигнута. The claimed technical result from the use of the invention is achieved through the use of all of the above essential features, and the more TI is used (the more n), the higher the accuracy of determining the angular orientation of the object can be achieved.
4. Перечень фиг. 1 и 2
Фиг. 1 и 2 иллюстрируют состав заявляемого устройства и его эффективность в сравнении с прототипом.4. The list of FIG. 1 and 2
FIG. 1 and 2 illustrate the composition of the claimed device and its effectiveness in comparison with the prototype.
На фиг. 1 изображены блок ДУС (1), цепочка n последовательно соединенных трехканальных интеграторов (21 - 2n), блок ОУО (3), блок СПИ (4) и функциональные связи между ними: вырабатываемые блоком ДУС приращения первых интегралов от составляющих угловой скорости по трем взаимно ортогональным осям x, y, z (θ
На фиг. 2 в логарифмическом масштабе приведены графики погрешностей определения угловой ориентации для устройства-прототипа (1) и заявляемого устройства (2) при имитации полезного углового движения объекта, задаваемого как коническое движение, совместно с высокочастотной угловой вибрацией основания. In FIG. 2 on a logarithmic scale shows graphs of errors in determining the angular orientation for the prototype device (1) and the claimed device (2) when simulating the useful angular motion of an object, defined as a conical motion, together with high-frequency angular vibration of the base.
5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Заявляемое устройство, представленное на фиг. 1, состоит из блока ДУС (1), цепочки n последовательно соединенных трехканальных интеграторов - ТИ (21 - 2n), блока определения угловой ориентации - блока ОУО (3) - и блока синхронного перезапуска интеграторов - блока СПИ (4). Выходные сигналы блока ДУС (1) и всех ТИ (21 - 2n) соединены со входами блока ОУО (3), причем три входа первого ТИ (21) соединены с соответствующими выходами блока ДУС (1), а дополнительные входы ТИ (21 - 2n) соединены с выходом блока СПИ (4).5. Information confirming the possibility of carrying out the invention
The inventive device shown in FIG. 1, consists of a TLS block (1), a chain of n series-connected three-channel integrators - TI (2 1 - 2 n ), a block for determining the angular orientation - a TAC block (3) - and a synchronous restart unit of integrators - a TSP block (4). The output signals of the TLS block (1) and all TIs (2 1 - 2 n ) are connected to the inputs of the TAC block (3), and the three inputs of the first TI (2 1 ) are connected to the corresponding outputs of the TLS block (1), and the additional TI inputs ( 2 1 - 2 n ) are connected to the output of the SPI block (4).
Принцип действия заявляемого устройства следующий. The principle of operation of the claimed device is as follows.
На входы первого ТИ (21) поступают выходные сигналы блока ДУС (1), представляющие собой текущие значения первых интегралов от измеряемых составляющих угловой скорости по трем взаимно ортогональным осям x, y, z (сигнал по каждой из составляющих поступает на свой вход ТИ). Выходные сигналы блока ДУС (1) и всех n ТИ (21 - 2n), представляющие собой приращения кратных интегралов от измеряемых составляющих угловой скорости (кратности от 2 до n+1) на такте опроса ДУС, поступают на вход блока ОУО (3), где и производится вычисление параметров ориентации. Все ТИ (21 - 2n) имеют дополнительный вход, на который из блока СПИ (4) поступает сигнал, обеспечивающий синхронный перезапуск с обнулением всех интеграторов с тактом, равным такту опроса блока ДУС.The inputs of the first TI (2 1 ) receive the output signals of the TLS block (1), which are the current values of the first integrals of the measured components of the angular velocity along three mutually orthogonal axes x, y, z (the signal for each of the components goes to its input TI) . The output signals of the TLS block (1) and all n TIs (2 1 - 2 n ), which are increments of multiple integrals from the measured components of the angular velocity (multiples from 2 to n + 1) at the TLS polling cycle, are fed to the input of the TAC block (3 ), where the orientation parameters are calculated. All TIs (2 1 - 2 n ) have an additional input to which a signal is supplied from the SPI block (4), which ensures synchronous restart with zeroing of all integrators with a clock cycle equal to the clock cycle of the CRS block.
В устройстве-прототипе интегрирование измеряемых блоком ДУС трех ортогональных составляющих угловой скорости на интервале опроса tk, tk+Δt (Δt - такт опроса ДУС, k = 0, 1, 2...) осуществляется в электронике гироскопов в дискретной форме с высокой частотой, значительно превышающей частоту опроса блока ДУС (1/Δt). Таким образом, текущие значения первых интегралов от трех составляющих угловой скорости могут быть считаны и многократно проинтегрированы также с высокой частотой. В заявляемом устройстве ТИ (21 - 2n) могут быть реализованы на серийно выпускаемых элементах цифровой техники.In the prototype device, the integration of the three orthogonal components of the angular velocity measured by the TLS unit in the polling interval t k , t k + Δt (Δt is the TLS polling cycle, k = 0, 1, 2 ...) is carried out in high-resolution gyroscope electronics in a discrete form a frequency that is significantly higher than the polling frequency of the CRS unit (1 / Δt). Thus, the current values of the first integrals of the three components of the angular velocity can be read and repeatedly integrated with a high frequency. In the claimed device TI (2 1 - 2 n ) can be implemented on commercially available elements of digital technology.
Заявленный технический результат достигается за счет использования в блоке ОУО специальных вычислительных алгоритмов определения угловой ориентации объекта, использующих в качестве исходной информации приращения кратных (кратностью j не меньше 2) интегралов от измеряемых блоком ДУС (1) составляющих угловой скорости на такте его опроса. Автором была разработана методика синтеза нового класса алгоритмов такого вида, получены и исследованы конкретные алгоритмы для случаев j = 2, j = 3 и доказана эффективность данного класса алгоритмов (для любого j не меньше 2) по сравнению с соответствующими им по сложности известными алгоритмами ориентации (которые используют в качестве исходной информации только вырабатываемые блоком ДУС приращения первых интегралов от измеряемых составляющих угловой скорости на такте его опроса) с точки зрения сглаживания высокочастотных составляющих в выходных сигналах ДУС (шумов или вибраций). Ниже дается краткое изложение основных положений и результатов разработки новых алгоритмов ориентации. The claimed technical result is achieved due to the use of special computational algorithms for determining the angular orientation of the object in the OUO block, using as an initial information increments of multiple (multiplicity j not less than 2) integrals from the angular velocity components measured by the TLS block (1) at the time of its polling. The author developed a method for synthesizing a new class of algorithms of this kind, obtained and studied specific algorithms for the cases j = 2, j = 3, and proved the effectiveness of this class of algorithms (for any j not less than 2) in comparison with the known orientation algorithms corresponding to them in complexity ( which use as an initial information only the increments of the first integrals generated by the TLS unit from the measured components of the angular velocity on the clock cycle of it) from the point of view of smoothing high-frequency components CRS output signals (noise or vibrations). The following is a summary of the main provisions and results of the development of new orientation algorithms.
Согласно общей методике разработки алгоритмов ориентации приращения параметров угловой ориентации на такте решения задачи ΔT выражаются через значения коэффициентов полиномиальной модели угловой скорости на интервале (ti, ti+ΔT, i = 0,1,...), которые в соответствии с общеизвестной методикой определяются через выходные сигналы блока ДУС, при этом частота опроса ДУС - 1/Δt в общем случае может быть выше частоты решения задачи ориентации в блоке ОУО - 1/ΔT (кратна ей). Параметры модели угловой скорости определяются из системы алгебраических уравнений, полученных для каждого выходного сигнала блока ДУС, таким образом количество коэффициентов, которые могут быть определены, равно количеству выходных сигналов блока ДУС на такте решения задачи, которое используется в алгоритме.According to the general methodology for the development of orientation algorithms, the increments of the parameters of the angular orientation on the step of solving the problem ΔT are expressed in terms of the coefficients of the polynomial model of the angular velocity in the interval (t i , t i + ΔT, i = 0,1, ...), which, in accordance with the well-known the technique is determined through the output signals of the TLS block, while the sampling frequency of the TLS - 1 / Δt in the general case can be higher than the frequency of solving the orientation problem in the TAC block - 1 / ΔT (multiple of it). The parameters of the angular velocity model are determined from the system of algebraic equations obtained for each output signal of the TLS block, so the number of coefficients that can be determined is equal to the number of output signals of the TLS block on the step of solving the problem, which is used in the algorithm.
В соответствии с новой методикой искомые коэффициенты модели угловой скорости определяются из другой системы алгебраических уравнений, полученных для выходных сигналов как блока ДУС, так и ТИ, выходные сигналы которых используются в алгоритме, при этом такт опроса блока ДУС и ТИ равен такту решения задачи ориентации. Оказывается, что полученные таким образом оценки коэффициентов модели угловой скорости обладают свойствами оценок по методу наименьших квадратов, т.е. обладают сглаживающими свойствами. In accordance with the new methodology, the desired coefficients of the angular velocity model are determined from another system of algebraic equations obtained for the output signals of both the TLS block and the TI, the output signals of which are used in the algorithm, and the polling cycle of the TLS and TI block is equal to the tact of solving the orientation problem. It turns out that the estimates of the coefficients of the angular velocity model obtained in this way have the properties of least-squares estimates, i.e. possess smoothing properties.
В качестве примера ниже приведены алгоритм, предложенный Р.Миллером [Р. Б. Миллер. Новый алгоритм определения параметров ориентации для бесплатформенных систем. Аэрокосмическая техника, т. 2, N 5, май 1984 г., стр. 127-133] - наиболее часто применяемый из общеизвестных алгоритмов, в котором используются три равноотстоящие по времени на такте решения задачи ориентации выходных сигналов блока ДУС (θ
Алгоритм Р.Миллера:
Φ(ti+ΔT) = θ1+X(θ
где θ1= θ
Φ (t i + ΔT) = θ 1 + X (θ
where θ 1 = θ
Новый алгоритм:
, /2/
где коэффициенты, зависящие от ΔT.
На фиг. 2 в логарифмическом масштабе приведены графики погрешностей определения угловой ориентации в зависимости от относительной частоты (отношения частоты вибрации к частоте опроса блока ДУС) для устройства-прототипа при использовании алгоритма (1) и заявляемого устройства при использовании алгоритма (2) при имитации полезного углового движения объекта, задаваемого как коническое движение, совместно с высокочастотной угловой вибрацией основания. Как видно из приведенных кривых, новый алгоритм точнее традиционного алгоритма примерно на 2 порядка. Таким образом, необходимая точность выработки параметров угловой ориентации объекта в условиях высокочастотных шумов ДУС и вибрации основания может быть обеспечена без использования дополнительного сглаживания выходных сигналов блока ДУС, т.е. без увеличения вычислительной производительности блока ОУО.New algorithm:
, / 2 /
Where ΔT-dependent coefficients.
In FIG. 2 on a logarithmic scale shows graphs of errors in determining the angular orientation depending on the relative frequency (the ratio of the vibration frequency to the polling frequency of the TLS unit) for the prototype device using algorithm (1) and the inventive device when using algorithm (2) when simulating useful angular movement of an object defined as a conical movement, together with high-frequency angular vibration of the base. As can be seen from the curves, the new algorithm is more accurate than the traditional algorithm by about 2 orders of magnitude. Thus, the necessary accuracy of generating the parameters of the angular orientation of the object under conditions of high-frequency noise of the TLS and vibration of the base can be ensured without using additional smoothing of the output signals of the TLS block, i.e. without increasing the computing performance of the block OUO.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98105559A RU2154810C2 (en) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | Gimballess attitude control system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98105559A RU2154810C2 (en) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | Gimballess attitude control system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU98105559A RU98105559A (en) | 2000-01-10 |
RU2154810C2 true RU2154810C2 (en) | 2000-08-20 |
Family
ID=20203910
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98105559A RU2154810C2 (en) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | Gimballess attitude control system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2154810C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456546C1 (en) * | 2010-12-16 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Strap-down attitude reference system |
RU2488774C1 (en) * | 2011-12-30 | 2013-07-27 | Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Platform-free orbital gyrocompass with arbitrary course orientation of spacecraft |
-
1998
- 1998-03-19 RU RU98105559A patent/RU2154810C2/en active IP Right Revival
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
РЕПНИКОВ А.В. и др. Гироскопические системы. - М.: Машиностроение, 1983, с. 255-266. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456546C1 (en) * | 2010-12-16 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Strap-down attitude reference system |
RU2488774C1 (en) * | 2011-12-30 | 2013-07-27 | Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Platform-free orbital gyrocompass with arbitrary course orientation of spacecraft |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1585939B1 (en) | Attitude change kalman filter measurement apparatus and method | |
EP1847807B1 (en) | Motion classification methods for personal navigation | |
EP0243468B1 (en) | Signal processor for inertial measurement using coriolis force sensing accelerometer arrangements | |
US4522062A (en) | Digital processor for use with an accelerometer based angular rate sensor | |
EP0870175B1 (en) | A zero motion detection system for improved vehicle navigation system | |
JP3172700B2 (en) | Method and apparatus for compensating for sculling in a strapdown inertial navigation system and a digital processor including a memory for use in the strapdown inertial navigation system | |
US5379223A (en) | Inertial measurement and navigation system using digital signal processing techniques | |
US5406489A (en) | Instrument for measuring an aircraft's roll, pitch, and heading by matching position changes along two sets of axes | |
JP2004526942A (en) | Method and apparatus for processing an analog output signal of a capacitive sensor | |
JPH09318382A (en) | Method and device for detecting posture angle | |
Anbu et al. | Integration of inertial navigation system with global positioning system using extended kalman filter | |
CN100588905C (en) | Gyroscope virtual implementation method | |
RU2154810C2 (en) | Gimballess attitude control system | |
JP2006038650A (en) | Posture measuring method, posture controller, azimuth meter and computer program | |
Bayat et al. | An augmented strapdown inertial navigation system using jerk and jounce of motion for a flying robot | |
RU2794283C1 (en) | Method for determining the orientation of an object in a strapdown inertial navigation system | |
Lee et al. | Analysis of the two-frequency coning motion with SDINS | |
US4888705A (en) | System for measuring the position of vibrating object | |
RU2148796C1 (en) | Inertial satellite navigation system | |
RU2049311C1 (en) | Method of determination of coefficients of instrumentation error model of navigational system | |
RU2178147C1 (en) | Complex navigation system | |
RU2107897C1 (en) | Method of inertia navigation | |
JP4287975B2 (en) | Attitude measurement device | |
RU2249791C2 (en) | Platform-free inertial attitude-and-heading reference system | |
RU2020417C1 (en) | Inertial navigation system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070320 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20100410 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20121205 |